Гетерогенно-каталитические процессы
Гетерогенно-каталитические процессы. Гетерогенный катализ на твердом катализаторе. Внешняя и внутренняя поверхность катализатора. Пути развития поверхности катализатора (применение пористых носителей для каталитически активных веществ, целенаправленное получение пористой структуры катализаторов). Классификация пор в структуре адсорбентов и катализаторов. Степень использования внутренней поверхности. Контактные массы и их состав. Технологические характеристики и требования к промышленным катализаторам.
Стадии гетерогенно-каталитических процессов и области их протекания. Микрокинетика гетерогенно-каталитических процессов. Адсорбция на поверхности катализатора. Скорость химического превращения на поверхности катализатора.
Макрокинетика гетерогенно-каталитических процессов. Внешняя и внутренняя диффузия как лимитирующая стадия процесса. Оптимальные форма, размер зерен и пористая структура катализатора.
Выбор оптимального режима гетерогенно-каталитических процессов: температуры, давления, объемной скорости. Пути интенсификации гетерогенно-каталитических процессов.
Химические реакторы
Химические реакторы и их классификация. Требования к химическим реакторам как основному элементу ХТС. Математическое и физическое моделирование химических реакторов. Материальный баланс реакторов, работающих в стационарном и нестационарном режимах. Вывод характеристических уравнений для реакторов идеального смешения и вытеснения.
Каскад реакторов. Аналитический и графический методы расчета реакторов.
Сравнение эффективности работы реакторов, описываемых различными моделями (идеального смешения, идеального вытеснения, каскада). Выбор оптимальной схемы и организации потока в реакторе.
Тепловой баланс реактора. Изотермический, адиабатический, политропический режимы работы реакторов. Уравнение теплового баланса для идеальных реакторов.
Теплообмен в реакторах. Способы осуществления оптимального температурного режима. Выбор типа реактора с учетом теплового режима.
Устройство промышленных реакторов. Реакторы для гомогенных, гетерогенных некаталитических, гетерогенно-каталитических процессов.
Инженерное оформление химико-технологических
Процессов
Инженерное оформление химико-технологических процессов на примерах получения различных химических продуктов(с учетом профиля специальности). Физико-химические основы получения химических продуктов, построение функциональной и технологической схем их получения. Аппаратурное оформление отдельных узлов. Технологический режим, оптимальные условия, технологические параметры.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ
Вариант 0
1. Классификация химико-технологических процессов.
2. Равновесие химической реакции, факторы, влияющие на состояние химического равновесия.
3. Сравнение реакторов различного типа по интенсивности, селективности и выходу.
Вариант 1
1. Технологические показатели химико-технологического процесса (степень превращения, выход, селективность, производительность, интенсивность, расходные коэффициенты).
2. Пути и способы интенсификации гомогенных процессов.
3. Каскад реакторов, методы расчета каскада реакторов
Вариант 2
1. Классификация вод. Физико-химические показатели качества воды.
2. Способы интенсификации гетерогенных процессов в системе газ – жидкость.
3. Промышленные реакторы для каталитических процессов, виды, характеристика.
Вариант 3
1. Сырье химической промышленности, классификация видов сырья, методы обогащения.
2. Способы интенсификации гетерогенных процессов в системе газ – твердое.
3. Реактор идеального вытеснения; вывод характеристического уравнения.
Вариант 4
1. Основные стадии промышленной водоподготовки. Методы умягчения воды.
2. Способы увеличения движущей силы процесса, коэффициента скорости, поверхности массообмена для систем твердое – твердое, жидкость – твердое, жидкость – газ.
3. Классификация реакторов.
Вариант 5
1. Энергетическая база химической промышленности. Виды используемой энергии, вторичные энергоресурсы, энерготехнологические схемы.
2. Способы увеличения скорости обратимых экзо- и эндотермических реакций.
3. Реактор идеального смешения непрерывный; вывод характеристического уравнения.
Вариант 6
1. Основные направления рационального и комплексного использования сырья и энергии в химической промышленности.
2. Необратимые экзо- и эндотермические реакции. Выбор оптимального технологического режима.
3. Промышленные реакторы для гетерогенных процессов в системе газ – твердое.
Вариант 7
1. Состав и способы получения промышленных катализаторов. Требования к промышленным катализаторам.
2. Влияние температуры, давления, концентрации на степень превращения и скорость процессов различного вида ( обратимых и необратимых, экзо- и эндотермических).
3. Классификация химических реакторов по тепловому режиму, уравнение теплового баланса реактора.
Вариант 8
1. Принципы составления материального баланса химико-технологических процессов.
2. Промышленный катализ, виды катализа. Механизм действия катализаторов. Основные стадии гетерогенного катализа.
3. Промышленные реакторы для гетерогенных процессов в системе газ – жидкость.
Вариант 9
1. Принцип составления энергетического баланса химико-технологических процессов.
2. Реактор идеального смешения периодический; вывод характеристического уравнения.
3. Гетерогенный процесс, его особенности. Стадии гетерогенного процесса. Лимитирующая стадия гетерогенного процесса и способы ее определения.
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ
Водоподготовка
Благодаря универсальным свойствам вода широко применяется в химической промышленности в качестве сырья, химического реагента, растворителя, теплоносителя, хладоагента.
Качество воды определяется ее физико-химическими характеристиками, основными из которых являются прозрачность, цвет, запах, температура, солесодержание, жесткость, окисляемость, рН и др. В зависимости от назначения воды к ней предъявляются определенные требования по содержанию примесей, которые регламентируются нормативно-технической документацией (ГОСТ, ТУ). Для большинства производств основным качественным показателем служит жесткость, обусловленная содержанием в воде солей кальция и магния. Она выражается в ммоль × экв ионов Са2+ и Mg2+ в 1 л воды. Различают три вида жесткости: временную (карбонатную, либо устранимую), постоянную (неустранимую) и общую (сумму временной и постоянной).
Для производственных целей осуществляют предварительную очистку воды. Промышленная водоподготовка представляет собой комплекс технологических операций, обеспечивающих очистку воды до необходимых требований. Основными операциями являются: очистка воды от взвешенных примесей отстаиванием и фильтрованием, коагуляция, умягчение или обессоливание, дегазация и обеззараживание.
Наиболее широко в промышленных масштабах применяются операции умягчения и обессоливания. Для умягчения воды используют следующие методы: физические (кипячение, выпаривание), химические (реагентные: известковый, содовый, натронный, фосфатный), физико-химические (ионный обмен). Для обессоливания используют физический (дистилляция) и физико-химические (электроосмос, ионный обмен) методы.
Пример.Рассчитать массу извести, содержащей 85 % основного вещества (СаО), и соды, содержащей 98 % основного вещества (Na2CO3), для умягчения 1000 м3 воды с общей жесткостью 8,5 ммоль × экв/л, в том числе постоянная (некарбонатная) жесткость – 4,0 ммоль × экв/л.
Решение. В процессе умягчения воды известково-содовым методом известь вводится в процесс в виде водного раствора гидроксида кальция, получаемого путем гашения извести водой по реакции
СаО + Н2О = Са(ОН)2. (1)
В процессе умягчения воды гидроксид кальция реагирует с солями временной жесткости с образованием труднорастворимых соединений по следующим реакциям:
Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 = 2СаСО3¯ + 2Н2О; (2)
Mg(НСО3)2 + 2Са(ОН)2 = 2СаСО3¯ + Mg(ОН)2¯ + 2Н2О. (3)
Для определения массы извести необходимо знание величины временной (карбонатной) жесткости, которая находится как разность между общей и постоянной жесткостью:
ЖК = ЖО - ЖН = 8,5 - 4,0 = 4,5 ммоль × экв/л, или 4,5 моль × экв/м3.
Масса Са(ОН)2, необходимая для устранения временной жесткости в 1 м3 воды, определяется по формуле
m Са(ОН)2 = ЖК × M (1/2Са(ОН)2),
где M (1/2Са(ОН)2) – молярная масса эквивалента Са(ОН)2.
m Са(ОН)2 = 4,0 × (74 / 2) = 148,0 г/м3 (0,148 кг/м3).
Масса Са(ОН)2, необходимая для умягчения 1000 м3:
m’Са(ОН)2 = m Са(ОН)2 × V H2O,
где V H2O – объем умягчаемой воды, м3.
m’Са(ОН)2 = 0,148 × 1000 = 148,0 кг.
Массу оксида кальция, необходимого для получения 148 кг гидроксида кальция, рассчитываем в соответствии с уравнением реакции (1):
m CаO = m’Са(ОН)2 × М CаO / М Са(ОН)2,
где М CаO – молярная масса СаО; М Са(ОН)2 – молярная масса Са(ОН)2.
m CаO = 148 × 56 / 74 = 112 кг.
Масса технической извести, необходимой для умягчения 1000 м3 воды, определяется следующим образом:
m ИЗВ = m CаO × 100 / 85,
где 85 – массовая доля СаО в извести, %.
m ИЗВ = 112 × 100 / 85 = 131,8 кг.
Сода для умягчения воды вводится для устранения солей постоянной жесткости:
CaCl2 + Na2CO3 ® CaCO3¯ + 2NaCl;
CaSO4 + Na2CO3 ® CaCO3¯ + Na2SO4.
Определим массу Na2CO3, необходимого для устранения постоянной жесткости в 1 м3 воды:
m Na2CO3 = ЖП × M (1/2 Na2CO3),
где M (1/2 Na2CO3) – молярная масса эквивалента Na2CO3.
m Na2CO3 = 4 × (106 / 2) = 212 г/м3 (0,212 кг/м3).
Определяем массу технической соды, необходимой для умягчения 1000 м3 воды:
m СОДЫ = (m Na2CO3 / Х Na2CO3) × VH2O,
где Х Na2CO3 – массовая доля Na2CO3 в соде; V H2O – объем умягчаемой воды, м3.
m СОДЫ = 0,212 / 0,98 × 1000 = 216,3 кг.
Вариант 0
Определить карбонатную, некарбонатную и общую жесткость воды заданного состава. Определить массу известкового молока и технической соды, необходимых для умягчения воды.
| Исходные данные | Номер примера | ||||
| 0, 1 | 2, 3 | 4, 5 | 6, 7 | 8, 9 | |
| 1. Массовая концентрация в воде, мг/л: | |||||
| Са2+ | |||||
| Mg2+ | |||||
| HCO3- | |||||
| 2. Массовая доля Са(ОН)2 в известковом молоке, % | 6,5 | ||||
| 3. Массовая доля Na2CO3 в технической соде, % | 98,0 | 98,2 | 99,0 | 98,4 | 98,9 |
| 4. Объем умягчаемой воды, м3 |
Вариант 1
Определить карбонатную, некарбонатную и общую жесткость воды заданного состава, а также массу фосфата натрия (Na3PO4 × 12H2O), необходимого для ее умягчения.
| Исходные данные | Номер примера | ||||
| 0, 2 | 3, 4 | 5, 6 | 7, 8 | 9, 1 | |
| 1. Массовая концентрация солей кальция, г/л: | |||||
| СаSO4 | 0,15 | 0,18 | 0,20 | 0,25 | 0,35 |
| CaCl2 | 0,48 | 0,30 | 0,18 | 0,05 | 0,09 |
| 2. Массовая концентрация солей магния, г/л: | |||||
| MgSO4 | 0,03 | 0,02 | 0,08 | 0,11 | 0,05 |
| MgCl2 | 0,09 | 0,06 | 0,10 | 0,13 | 0,09 |
| 3. Массовая концентрация NaHCO3, г/л | 0,50 | 0,48 | 0,53 | 0,55 | 0,49 |
| 4. Объем умягчаемой воды, м3 |
Вариант 2
Определить продолжительность работы катионитового фильтра без регенерации до исчерпания обменной способности.
| Исходные данные | Номер примера | ||||
| 0, 5 | 1, 6 | 2, 7 | 3, 8 | 4, 9 | |
| 1. Обменная емкость катионита, моль-экв/м3 | |||||
| 2. Объем катионита в фильтре, м3 | |||||
| 3. Объемный расход воды, м3/ч | |||||
| 4. Общая жесткость воды, ммоль × экв/л | 4,2 | 4,8 | 5,1 | 4,6 | 5,8 |
Вариант 3
Рассчитать массу известкового молока и раствора соды, необходимых для умягчения воды известково-содовым способом.
| Исходные данные | Номер примера | ||||
| 0, 6 | 1, 7 | 2, 8 | 3, 9 | 4, 5 | |
| 1. Общая жесткость воды, ммоль × экв/л | 10,8 | 8,6 | 6,9 | 8,4 | 9,3 |
| 2. Карбонатная жесткость, ммоль × экв/л | 5,4 | 3,8 | 2,4 | 3,2 | 3,5 |
| 3. Массовая концентрация CO2, мг/л | |||||
| 4. Массовая доля Са(ОН)2 в известковом молоке, % | 6,0 | 5,0 | 8,0 | 12,0 | 15,0 |
| 5. Массовая доля соды, % | 10,0 | 12,0 | 9,0 | 8,0 | 10,5 |
| 6. Объем умягчаемой воды, м3 |
Вариант 4
Определить массу каустической соды, необходимой для устранения карбонатной жесткости. Определить, на сколько изменится общая жесткость воды после устранения карбонатной жесткости.
| Исходные данные | Номер примера | ||||
| 0, 7 | 1, 8 | 2, 9 | 3, 5 | 4, 6 | |
| 1. Карбонатная жесткость, ммоль × экв/л | 3,5 | 4,8 | 2,6 | 3,1 | 4,2 |
| 2. Общая жесткость воды, ммоль × экв/л | 8,1 | 9,1 | 6,2 | 5,4 | 7,3 |
| 3. Объем умягчаемой воды, м3 | |||||
| 4. Массовая доля NaOH в каустической соде, % | 99,0 | 99,5 | 98,0 | 99,1 | 98,5 |
Вариант 5
Рассчитать объем катионита, необходимого для умягчения воды в течение заданного времени.
| Исходные данные | Номер примера | ||||
| 0, 8 | 1, 9 | 2, 5 | 3, 6 | 4, 7 | |
| 1. Объемный расход воды, м3/ч | |||||
| 2. Продолжительность работы катионита без регенерации, сутки | |||||
| 3. Обменная емкость катионита, моль × экв/м3 | |||||
| 4. Общая жесткость воды, ммоль × экв/л | 6,5 | 7,0 | 4,6 | 5,2 | 6,1 |
Вариант 6
Определить массу известкового молока для умягчения воды заданного состава
| Исходные данные | Номер примера | ||||
| 0, 9 | 1, 5 | 2, 6 | 3, 7 | 4, 8 | |
| 1. Общая жесткость воды, ммоль × экв/л | 10,5 | 12,1 | 11,8 | 13,0 | 9,4 |
| 2. Постоянная жесткость воды, ммоль × экв/л | 6,1 | 7,2 | 6,8 | 7,4 | 5,4 |
| 3. Массовая доля Са(ОН)2 в известковом молоке, % | |||||
| 4. Массовая концентрация СО2, мг/л | 15,1 | 14,8 | 13,2 | 15,5 | 14,3 |
| 5. Объемный расход воды, м3/ч |
Вариант 7
Рассчитать массу соляной кислоты, необходимой для перевода карбонатной жесткости в некарбонатную. Чему будет равна после этого некарбонатная жесткость?
| Исходные данные | Номер примера | ||||
| 0, 5 | 1, 6 | 2, 7 | 3, 8 | 4, 9 | |
| 1. Общая жесткость воды, ммоль × экв/л | 10,2 | 11,8 | 9,3 | 9,8 | 12,0 |
| 2. Постоянная жесткость воды, ммоль × экв/л | 5,1 | 4,3 | 5,9 | 6,0 | 7,2 |
| 3. Массовая доля HCl, % | |||||
| 4. Объемный расход воды, м3/ч |
Вариант 8
После кипячения пробы воды в течение 1 часа ее жесткость уменьшилась на Х ммоль × экв/л. Определить массу гашеной извести и технической соды, необходимых для умягчения воды известково-содовым способом.
| Исходные данные | Номер примера | ||||
| 0, 6 | 1, 7 | 2, 8 | 3, 9 | 4, 5 | |
| 1. Общая жесткость воды, ммоль × экв/л | 10,8 | 10,2 | 11,3 | 9,2 | 12,0 |
| 2. Изменение (уменьшение) жесткости пробы воды после кипячения (Х), ммоль × экв/л | 3,8 | 4,5 | 3,3 | 4,1 | 4,8 |
| 3. Массовая доля Са(ОН)2 в гашеной извести, % | |||||
| 4. Массовая доля Na2CO3 в технической соде, % | 98,0 | 98,5 | 98,2 | 98,4 | 98,6 |
| 5. Объемный расход воды, м3/ч |
Вариант 9
Для обессоливания воды ее последовательно пропускают через Н-катионит и ОН-анионит. Определить объем Н-катионита, который необходим для удаления из воды имеющихся катионов в течение заданного времени.